針對加氫裝置安全儀表系統設計

陳富強

（中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶,400037）

針對加氫裝置安全儀表系統設計

陳富強

（中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶,400037）

安全儀表系統是獨立的連鎖系統，它可以單獨完成對工藝裝置的保護，因此也被稱之為緊急停車系統。在操作的時候常常來面臨氫、高溫、高壓、易爆、易燃等集合的加氫裝置，因此想要進行安全生產就要將安全儀表系統設置好。目前對加氫裝置設計的重要內容之一就是設計安全儀表系統的方法，讓其在面對各種危險情況的時候都可以進行有效的連鎖操作來控制。

安全儀表系統；加氫裝置；安全度等級聯鎖

為了發展造成環境污染，造成環境污染的重要因素之一就是石油利用，因此想要減少石油帶來的環境污染就要對石油產品質量進行控制，正是在這樣的思想下，加氫技術得到廣泛應用與發展。煉油中需要加氫技術的支持，煉油中所使用的原料油以及產品需求都不同，而且催化劑以及反映條件、加工過程也是各不相同，但是根據我國劃分的習慣，可以將其劃分為兩種，分別是加氫精制和加氫裂化，前者是利用加氫技術中的氫解反應來去除原料油中的雜質，比如硫、氧等，再利用加氫技術進行飽和烯烴和芳烴，從而讓產品達到所需標準。后者則是把原料油中的大烴分子轉變為小烴分子，從而提高燃料油以及化工原料的精度。

不過煉油往往是在高溫以及高壓環境下進行，而且還有很多氫氣和油氣，加氫反應會發熱的，因此所使用的裝置十分容易出現超溫的現象，不及時處理就有可能造成火災、停電等事故。當出現事故時，最先要確保生產人員和設備的安全，同時對裝置設備保護要采取緊急泄壓等措施來實現。因此對壓縮機、泵、加熱爐等重要設備要進行安全聯鎖保護的有效設置。

1 安全儀表系統的設計

安全儀表系統的設置就是為了應對緊急情況出現可以獨立實現安全保護功能。對危險程度來劃分安全系統等級，同時根據不同等級來采取不同的有效措施，而聯鎖儀表可以有效切斷危險源，最大程度保護工作人員和設備安全。

1.1 確定安全度等級

安全度等級，簡稱SIL是安全儀表系統中十分重要的一個組成部分，是對安全儀表系統進行綜合評價的直接表現，不過當安全度等級提升，安全系統出現故障的機率也就逐漸減少，適用度則會越來越強。根據國際標準，把安全度等級劃分為四個等級分別是，SIL1級、SIL2級、SIL3級和SIL4級。SIL1級發生故障的機率比較小，就算發生事故對產品以及設備的影響也不大，不會對環境帶來污染和對人身安全造成威脅。SIL2級則會偶爾發生事故，事故出現時會對產品和設備帶來一定程度的影響，還會造成較大的經濟損失和環境污染等。SIL3級發生事故的機率與SIL2級相比大大提高，事故帶來的影響非常大，對環境帶來嚴重污染和經濟損失。SIL4級就是災害性的事故，一般在核工業中出現，一旦出現事故，災害是毀天滅地的，經濟損失不可估量。

第一，對裝置的操作性和危險性，從工藝以及安全等各方面開始分析，形成HAZOP分析報告，在該報告中會對設備存在的潛在影響和危險性進行分析并提出相關整改意見。第二，要根據管道儀表流程圖等相關圖紙、報告、安全等級劃分來進行設計規定，特別是對連鎖保護的設備還要進行審查。相關設計單位可以根據這些審查報告為依據來對安全儀表系統維護與完善。

表1 國內某加氫裝置主要聯鎖安全度等級Table1 Main interlock safety level in certain domestic

1.2 確定安全儀表系統級別

上述介紹中把安全度等級劃分為四個等級，不過第二等級到第四等級的安全儀表系統是需要進行單獨設置的，而第一等級由于操作簡單可以和控制系統一起使用，比如污油罐液位比較高的時候聯鎖設置就會啟動，而當液位低下去的時候則會停止。而當很多個單元的保護功能都集合在一個安全儀表系統上時，公共部分的安全等級就要達到最高等級的要求。而加氫裝置的安全儀表系統就是根據SIL3級來設計規劃的，系統中的電源、處理器以及輸入輸出模塊都是多余設置，因此系統在設計的時候要被設置成故障安全型，確保其具有故障自診功能。

加氫裝置比較大的配置中常會出現PLC多余配置和PCC三重化專用系統。該兩種配置都有第一報警事件的記錄功能，方便之后對事故產生原因進行查看、分析。TMR又被稱作三重化冗余容錯控制器具有極佳的可行性和可靠性，不管是系統的硬件還是軟件都趨向完美。可行性具體表現在系統工作時間的概率上，而可靠性則表現在工作時間中發生事故的概率。

1.3 確定安全儀表系統邏輯圖

聯鎖邏輯圖的設計需要管道儀表流程圖、安全聯鎖的說明及邏輯框圖和故障安全型原則等共同作用形成。

表1 制氫裝置聯鎖條件和聯鎖動作對應表

邏輯圖的完整內容包括三個方面：第一，輸入信號的儀表位置，信號來源說明以及對信號的處理方式，有保持、延時、信號差等主要處理方式，還要對連鎖動作值進行注明（0或者1）。第二，要具有邏輯關系。依據想要的工藝來選擇符合的邏輯，常用邏輯有“與”“或”“非”“2取2”“3取2”等等。第三，輸出信號的儀表位置，信號傳輸目標和使用說明以及對信號采用的隔離方式。

邏輯圖在設計時還要注意兩個問題：第一，連鎖停車信號在輸入端的處理方式，比如為了避免因為瞬間顫動導致聯鎖停車現象出現，泵出口流量信號就要添加15秒的延時器。第二，聯鎖輸出信號端處理。輸出信號基本上都是在現場電氣裝置上，但是到該裝置則需要對信號進行加繼電器隔離，避免輸出信號受到強大電力的干擾和損壞。去電磁閥信號是否需要添加繼電器則要依據電磁閥電源和功率來決定。不添加繼電器則需要輸出信號能量能夠滿足供電需求，不然就需要添加繼電器來作為外接電源來使用。

2 加氫裝置中的聯鎖系統

加氫裝置聯鎖系統由多個系統共同組成，分別是裝置緊急泄壓聯鎖系統、加氫反應進料泵聯鎖系統、空冷器部分聯鎖系統等等。雖然制作所需的工藝不同，而且制作出來的產品也不同，導致聯鎖系統也不盡相同，但聯鎖系統內容大部分相似。

2.1 反應進料加熱爐聯鎖系統

在反應設備中反應進料加熱爐是十分重要的設備，它的存在就是為了保證反應器入口溫度的穩定性，溫度穩定才能讓反應器正常運轉。

2.1.1 聯鎖熄滅主火嘴條件

聯鎖熄滅主火嘴的條件之一就是下列條件有一個存在就會進行：裝置進行緊急泄壓的時候；氫壓縮機停止運轉；反應器中的氫流量比較低；加氫出口的流量不高；加氫進料泵停止運行；反應器溫度超過標準溫度；常明火嘴熄滅的次數大于百分之五十，主燃料的氣壓不高；手動進行緊急熄火主火嘴等條件。聯鎖熄火主火嘴一起施行的動作就是將主燃料氣調節閥和切斷閥關閉。而用于加熱的加熱爐在10秒內開風門必須要打開的次數要根據加熱爐初始設計的最低通風量來決定，基本上在60%上下移動。

2.1.2 聯鎖停爐(熄滅常明火嘴)條件

聯鎖熄滅常明火嘴進行操作的條件就是：燃料氣壓不高、燃料室的壓力過高、出現緊急情況進行手動停爐等，而與聯鎖熄滅常明火嘴一起的動作就是將常明燃料氣切斷閥以及主火嘴的切斷閥關閉。

2.2 循環氫壓縮機聯鎖系統

在所有的設備中循環氫壓縮機是最重要以及核心的設備，主要由兩部分組成，分別是汽輪機和離心式壓縮機。為各種設備提供不同量以及不同類型的氫氣，氫氣有循環氫和新氫兩種，當循環氫壓縮機停止運作后將會對進料裝置進行聯鎖切斷。

壓縮機綜合控制系統和安全儀表系統是兩個主要系統，循環氫壓縮機聯鎖保護系統可以分別在這兩個系統中進行與實行，在最初的設計階段會決定施行哪種控制方案就選擇哪種系統。

2.2.1 啟動聯鎖條件

當設備滿足下列條件的時候才可以進行啟東：第一，溫度以及油箱液位中的高位正常；第二，用于隔離氣流量的壓縮機運行正常；第三，用于密封氣流的壓縮機功能正常；第四，反喘振閥全開；第五，全部打開汽輪機蒸汽入口；第六，汽輪機蒸汽入口的切斷閥要全部開啟；第七，全部開啟壓縮機的進出口電動閥；第八，壓縮機結構中的盤車機構與主機構脫離；第九，設備接收不倒任何停止信號；第十，人工操作啟動。

2.2.2 停車聯鎖條件

聯鎖停車出現的時候需要滿足以下條件中的一個：壓縮機樣式中的離心式振動幅度以及汽輪機振動幅度太大；壓縮機以及汽輪機的軸位移距離太大；放火炬氣流量和壓力都過高；二級密封氣流量不高；汽輪機用于排氣的設備壓力值不高；緊急泄壓裝置啟動；手動停車等等。這些條件中的一個出現或者存在就會導致聯鎖停車，并且同時出現的動作就是將汽輪機蒸汽入口的所有氣閥都關閉。

2.3 裝置緊急泄壓聯鎖系統

緊急泄壓聯鎖系統有加氫精制裝置以及處理裝置，還有速度0.7MPa每分鐘的低速泄壓。不過加氫裂化的緊急泄壓速度分兩個等級，一等級是0.7MPa每分鐘，二等級是2.1MPa每分鐘，一級是低速，而二級則是高速泄壓。

3 結束語

聯鎖保護系統在20年前我國就已經實現，當時我國的第一套加氫裂化裝置通過繼電器和硬線的連接從而實現，不過當時有3個輸入信號環節，包括現場變送器、隔離柵還有報警預定期三個。但是現在的輸入信號環節則減少很多，除了變送器依舊存在外，其他都沒有，讓信號傳輸變得更加穩定可靠。隨著時代進步，電子技術的發展，加氫裝置安全儀表系統不管是在設計上還是造型上都在不斷改變，讓其趨于完美。

[1] 宋小寧.加氫裝置安全儀表系統設計[J].2008.11(29):64-68.

[2] 楊萌.加氫裝置安全儀表系統設計[J].當代化工,2010.12(6):709-710.

[3] 唐稚蓉.制氮裝,安全儀表系統工程設計[J].石油化工設計,2011.28(2):9-11.

[4] 張志剛，余齊杰.安全儀表系統的設計[J].煉油技術與工程,2005,5(5):56-59.

陳富強.從事工作：工業安全儀表及監控系統研發.職稱：工程師

Design of safety instrument system for hydrogenation unit

Chen Fuqiang
（Chongqing Research Institute of coal science and Industry Group Co., Ltd.CHONGQING,400037)

Safety instrumented system is independent of the chain system,it can be done independently of the process units of protection,it is also called the emergency shutdown system. When in operation often be faced with hydrogen hydrogenation unit,high temperature,high pressure,explosive,flammable and other collections, so you want to be safe production should be set a safety instrumented system.Content is one of the important safety instrumented system design methods currently hydrogenation apparatus designed so that in the face of various dangerous situations can be effective when they are used to control the operation of the chain.

Safety Instrumented Systems;hydrogenation unit;interlock safety rating